Ce convoyeur d'élastiques sépare efficacement les déchets solides et liquides dans un système d'assainissement expérimental sur un site d'essai en Inde. Mais dans une installation en Afrique du Sud, où la culture utilise du papier toilette, les résultats ne sont pas aussi bons. C'était l'une des nombreuses leçons tirées de deux essais sur le terrain de huit mois pour les systèmes d'assainissement parrainés par la Fondation Bill et Melinda Gates. Crédit :Brian Hawkins, université de Duke
Comme le dit la légende, lorsque les travailleurs français ont senti leurs moyens de subsistance menacés par l'automatisation au début des années 1900, ils jetaient leurs sabots en bois appelés sabots dans les machines pour les arrêter. D'où le mot sabotage.
Au lieu de gaspiller de bonnes chaussures, ils auraient peut-être dû essayer du papier toilette humide.
Dans deux nouveaux articles publiés dans la revue Science de l'environnement total , les ingénieurs de l'université Duke présentent les résultats de la première étude à grande échelle, des essais sur le terrain dans le monde réel des composants critiques de leur système d'assainissement hors réseau. Depuis 2011, L'initiative « Réinventer les toilettes » de la Fondation Bill &Melinda Gates a investi plus de 200 millions de dollars pour financer ces efforts et d'autres visant à créer des systèmes d'assainissement à petite échelle pour répondre aux besoins des 4,2 milliards de personnes qui manquent d'un assainissement géré en toute sécurité dans le monde.
Alors que leurs processus d'élimination des nutriments doivent être améliorés, les chercheurs se disent agréablement surpris de la durée de vie des composants du système. On leur a également rappelé à quel point les pratiques culturelles peuvent être importantes pour la réussite d'un défi d'ingénierie mondial.
« La première étape de notre système de toilettes réinventé séparait les déchets solides et liquides grâce à une bande transporteuse constituée d'élastiques, " a déclaré Brian Hawkins, chercheur au Duke Center for Water, Assainissement, Hygiène et maladies infectieuses (WaSH-AID). "Cela fonctionne très bien en Inde où ils ont une culture de lavage, mais en Afrique du Sud, où ils ont une culture d'essuyage, le papier toilette est entré dans le mélange et a gommé tous les engrenages. Le système a donc besoin d'être nettoyé tous les deux jours, ce qui n'est pas durable."
Pour que les systèmes d'assainissement financés par Gates soient considérés comme réussis, ils doivent non seulement éliminer les agents pathogènes des déchets humains et récupérer des ressources telles que l'énergie, eau propre et nutriments, ils doivent le faire "hors réseau, " sans accès à des sources extérieures d'électricité ou d'eau. Pour couronner le tout, les systèmes doivent coûter moins de cinq cents par utilisateur, par jour, c'est 200 utilisateurs pour 10 $.
L'usine textile de Coimbatore, Inde, où l'un des prototypes de systèmes d'assainissement a été testé dans un environnement réel. Crédit :Shamsheer Yousaf
Avec Jeffrey Glass et Brian Stoner, les deux membres du corps professoral du département de génie électrique et informatique de Duke, Hawkins a travaillé sur son système chez RTI International et Duke Engineering pendant près d'une décennie. Après avoir testé le système de traitement des liquides à grande échelle dans des conditions réelles, il semble que le dévouement de l'équipe commence à porter ses fruits.
"La grande chose que nous essayions de savoir, c'est combien de temps nous pouvons faire fonctionner ce système avant qu'il n'ait besoin d'une maintenance critique, " a déclaré Hawkins. " Et vous voulez le faire dans des situations aussi proches que possible de la vie réelle. "
Pendant une grande partie de 2018, les chercheurs de Duke ont installé un prototype de système de traitement des déchets à deux endroits :un dortoir pour femmes dans une usine textile à Coimbatore, l'Inde et un bloc sanitaire communal en bordure de Durban, Afrique du Sud. Pendant huit mois, les deux systèmes ont servi jusqu'à 50 utilisateurs potentiels à un moment donné, traitement de plus de 11, 000 litres de déchets tout au long des essais sur le terrain.
Alors que le problème du papier toilette était une découverte importante, l'objectif principal des essais était de tester la longévité des composants critiques du processus de traitement des liquides. Une fois les solides séparés des liquides, ils sont poussés à travers un grand filtre à charbon actif.
Bien que cela élimine presque tous les biosolides, il ne désinfecte pas l'eau et n'élimine pas les sels dissous. Mais ça va, parce que les chercheurs peuvent utiliser un problème pour résoudre l'autre. L'électricité est acheminée à travers l'eau pour briser les liaisons moléculaires dans les sels restants pour produire des oxydants contenant du chlore, un désinfectant puissant.
« Le traitement électrochimique des déchets dangereux présente de nombreux avantages, " a déclaré Glass. " Vous n'avez pas à expédier ou à manipuler de produits chimiques pour la désinfection, et le processus peut être très efficace.
Le matériel de traitement du prototype de système d'assainissement qui a été testé sur le terrain dans une usine textile à Coimbatore, Inde. Crédit :Shamsheer Yousaf
Selon la chimie spécifique de l'eau, cependant, les fils électriques nécessaires à ce processus peuvent se corroder rapidement. Les chercheurs ne savaient pas non plus à quel point les filtres à charbon actif pouvaient être utilisés avant de devoir être remplacés. Mais les essais sur le terrain ont aidé à atténuer ces craintes.
"Les deux essais ont duré huit mois et les filtres n'ont jamais échoué. J'avais en tête que ce serait formidable s'ils pouvaient durer un an, et jusqu'à présent, il semble qu'ils pourraient le faire, " dit Hawkins. " Tant que nous nettoyons le système électrique périodiquement, il a duré des centaines d'heures de service. C'est un composant qui, si vous deviez le remplacer tous les six mois, ça ne va pas marcher. Mais si vous pouvez le faire durer trois ou quatre ans, c'est bon."
En général, les résultats des essais sur le terrain étaient prometteurs en ce qui concerne les besoins potentiels de maintenance et les performances du système. Les systèmes prototypes de Duke respectaient tous les paramètres biologiques et trois des cinq normes chimiques pour les effluents liquides selon les exigences de traitement des eaux usées autonomes récemment publiées par l'Organisation internationale de normalisation (ISO). Cependant, ils ne respectaient pas les normes pour les quantités restantes de phosphore et d'azote.
"Ces deux produits chimiques sont particulièrement préoccupants lorsque vous rejetez de l'eau dans des lacs et des ruisseaux, car une trop grande quantité de l'un ou de l'autre peut provoquer des proliférations d'algues, " a déclaré Hawkins. " Il existe des moyens efficaces d'éliminer le phosphore et l'azote à faible coût pour de gros volumes, ou pour de petits volumes à des coûts élevés, mais pas pour les petits volumes à faible coût. C'est un sujet permanent de R&D pour nous."
Les ingénieurs de Duke testent maintenant des solutions à ces problèmes dans leur prochaine itération de systèmes en Inde. Les nouveaux systèmes sont plus compacts et efficaces, et un peu plus près d'être utilisés comme des solutions de travail à grande échelle.
"Si vous regardez l'organigramme de notre système d'origine et ce que nous testons actuellement, les composants sont tous les mêmes, mais les prototypes les plus récents sont beaucoup plus maigres et méchants, " a déclaré Hawkins. " À ce stade, nous itérons principalement sur les mêmes technologies, mais pas vraiment de grands changements."
